海南島南部海棠灣晚更新世以來單道地震剖面特征

張匡華， 傅人康， 張從偉， 龍根元， 宋家偉， 仝長亮

(海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，?？?570206)

0 引言

第四紀(jì)沉積地層中包含了豐富的沉積環(huán)境特征和沉積演化過程信息，在陸地和深海及第四紀(jì)地層對(duì)比研究中發(fā)揮著地理位置上的紐帶作用[1]，同時(shí)有益于濱淺海砂礦及稀有金屬等資源的預(yù)測研究。近年來主要是運(yùn)用地球化學(xué)方法研究海南島周邊濱淺海晚第四系地層，研究載體主要是鉆孔樣等。曹小月等[2]在海南陵水新村與黎安瀉湖，通過對(duì)鉆孔樣進(jìn)行分析，認(rèn)為海南島陵水新村港區(qū)域晚更新世經(jīng)歷了淺海和瀉湖沉積環(huán)境，在末次冰期極盛期陸地暴露環(huán)境，發(fā)育了沖積平原沉積等;王夢媛等[3]在三亞鐵爐港通過對(duì)鉆孔樣巖性描述、粒度分析、亮度分析及有孔蟲豐度統(tǒng)計(jì)等，總結(jié)了該鉆孔約自MIS6以來沉積相演變歷史，初步確定MIS5高海平面的海水曾侵入海南島南側(cè)，沉積了近40 m厚的海相粘土-粉砂細(xì)粒物質(zhì)?；鶐r上覆沉積物主要由厚層的MIS5和MIS1兩段間冰期海相地層組成，期間存在一些相變過程，而冰期階段沉積物缺失或很少保留。單道地震具有施工方法簡單、探測范圍廣、高效且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)[4]。筆者結(jié)合鉆孔沉積物巖性及測年等資料對(duì)單道地震剖面進(jìn)行綜合解釋，研究結(jié)果對(duì)海南島周邊晚更新世以來濱淺海地層的深入研究起到了較好的推動(dòng)作用。

1 研究區(qū)概況

海南島為南海大陸架島嶼，原與陸地相連，晚第四紀(jì)時(shí)，瓊州海峽隔斷，全新世海面上升，海南島與大陸分隔[5]。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與氣候變化的雙重影響，更新世初期海岸屬基巖港灣型，晚更新世構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，使不少海灣底部抬升為階地，構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)持續(xù)到全新世，局部抬升甚至發(fā)生于2000年前[6]。海南島屬于熱帶海島，海岸線總長1 470 km，其中約四分之三為砂質(zhì)海岸，其余主要為基巖海岸，泥質(zhì)海岸甚少。受地質(zhì)構(gòu)造和熱帶氣候等因素的影響，東、南部海岸發(fā)育有沙壩-瀉湖海岸以及比較典型的珊瑚礁和紅樹林海岸[7]。

研究區(qū)位于海南島南部海棠灣附近(圖1)。海棠灣為近南北向，岸線長度達(dá)21.8 km，東南臨海為濱海平原[3]，北邊為合口港，南邊為鐵爐港，西南邊為龍江港。海棠灣地貌上屬沙壩-瀉湖型港灣[8]，主要為砂質(zhì)海岸，潮汐為不規(guī)則日潮型，土壤泥沙質(zhì)[9]；研究區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候[10]。近海岸海域波浪主要為風(fēng)浪，冬春季波浪射線方向以東北為主，夏秋季波浪線射線方向以西南為主，年平潮差達(dá)86 cm，屬于弱潮區(qū)[11]。

2 資料和方法

2.1 單道地震資料采集、處理與解釋

2016年5月-2016年7月海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院在研究區(qū)開展了129 km單道地震測量工作(圖1)。采用的儀器是荷蘭生產(chǎn)的Geo-Spark 2000J單道地震系統(tǒng)，震源采用陰極放電、電極無損電火花，最大功率2 000 J，中心頻率700 Hz～1 000 Hz，接收裝置為24單元組合檢波水聽器。數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：激發(fā)間隔1 000 ms，震源能量1 000 J，垂向采樣頻率為10 kHz，記錄長度為800 ms，記錄格式為標(biāo)準(zhǔn)SEG-Y格式。

地震資料處理的關(guān)鍵是提高資料信噪比，提高分辨率[12]。研究區(qū)采用RadExPro軟件進(jìn)行單道地震剖面處理，主要處理流程為：①地震數(shù)據(jù)壞道編輯；②地震數(shù)據(jù)的頻譜特征分析；③地震剖面深部能量補(bǔ)償；④帶通濾波；⑤Burst Noise Removal；⑥2D Spatial Filtering；⑦Zero-Offset DeMultiple；⑧Sharp Seis Deghosting。地震剖面通過處理后，信噪比和分辨率明顯提高，海面風(fēng)浪及涌浪引起的同相軸起伏得到一定程度的改正[13]，海底多次反射及虛反射得到有效壓制。

圖1 研究區(qū)單道地震剖面測線及鉆孔位置Fig.1 Location of single-channel seismic profiles and drilling core in the study area

根據(jù)層序地層學(xué)[14]和地震地層學(xué)理論[15]，運(yùn)用第四紀(jì)全球海平面升降相關(guān)數(shù)據(jù)[16]進(jìn)行了單道地震剖面的解釋。等時(shí)界面地識(shí)別是層序地層分析的關(guān)鍵[17]，晚更新世以來，海平面在間冰期與冰期交替升降[18]。冰期海退形成的陸上不整合面和間冰期海侵形成的濱帶海蝕面構(gòu)成一個(gè)在小范圍似等時(shí)層序界面，可視為初始海泛面[14]。層序界面在地震剖面上表現(xiàn)為連續(xù)好、振幅強(qiáng)；界面下伏地層古河道發(fā)育；界面上覆、下伏地層呈不整合接觸關(guān)系；界面上覆地層底部地震相表現(xiàn)為上超；沉積環(huán)境的不同致使上覆、下伏地層內(nèi)部地震反射特征有所差異等。

研究區(qū)內(nèi)似等時(shí)層序界面地識(shí)別主要基于幾點(diǎn)：①識(shí)別出等時(shí)層序界面；②確定穿時(shí)層序界面。所有層序界面在測線交叉點(diǎn)必須閉合。本次研究在海棠灣海域識(shí)別出(似)等時(shí)層序界面及穿時(shí)層序界面，并確保了所有層序界面能在測線交叉點(diǎn)處閉合，同時(shí)剖面時(shí)深轉(zhuǎn)換采用參數(shù)：海水聲速為1 530 m/s,沉積物聲速為經(jīng)驗(yàn)1 600 m/s。

2.2 鉆孔取樣與測試分析

根據(jù)前期物探工作初步解譯及研究區(qū)的實(shí)際情況，2016年8月海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院在研究區(qū)內(nèi)完成了鉆孔QZ3的施工(圖1)。本次海上鉆探采用改進(jìn)的回旋鉆進(jìn)取芯工藝，該工藝適用于淺孔，將PVC管加進(jìn)取樣管，雙管單動(dòng)回旋鉆進(jìn)，可避免樣品曝光。QZ3鉆孔孔深20.30 m，鉆孔樣主要為泥質(zhì)-粉砂質(zhì)細(xì)粒物質(zhì)，表明該處主要處于弱水動(dòng)力環(huán)境沉積，局部分選較差，甚至出現(xiàn)較大粒徑沉積反應(yīng)了沉積環(huán)境的變化(表1)。根據(jù)研究區(qū)以往第四紀(jì)地層的研究資料及實(shí)際鉆孔樣品特征，在能獲取到充足含碳生物樣品，距今年代較近的淺部層位，采用碳同位素測年(AMS14C)進(jìn)行測年。對(duì)未能獲取做碳同位素測年所需的足夠生物樣品的淺部層位及距今年代較遠(yuǎn)可能超過碳同位素測年(AM14C)測量范圍的深部層位，采用光釋光測年(OSL)測年方法。本次研究樣品碳同位素測年(AMS14C)由美國Beta實(shí)驗(yàn)室(Beta Analytic Inc)完成，樣品光釋光測年(OSL)測年由國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心完成。樣品測年年齡介于7 595 cal.aBP～127 000 cal.aBP之間，介于29 000 cal.aBP～58 000 cal.aBP之間的樣品缺失。測年樣品的采集、封裝及測試過程科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。測年數(shù)據(jù)時(shí)序整體上較好，結(jié)果可信。

表1 鉆孔數(shù)據(jù)Tab.1 Core dating results

3 層序地層單元

圖2 層序地層單元?jiǎng)澐?測線L16)Fig.2 Sequence stratigraphic units(survey-line L16)

圖3 層序地層單元?jiǎng)澐?測線L18)Fig.3 Sequence stratigraphic units(survey-line L18)

結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)對(duì)高分辨率單道地震剖面進(jìn)行解釋，研究區(qū)晚更新世以來的沉積地層可識(shí)別出T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6 共7個(gè)地層層序界面，可劃分SU1、SU2、SU3、SU4、SU5和SU6共6個(gè)層序地層單元，其中SU5層序又可進(jìn)一步劃分為SU51、SU52和SU53三個(gè)亞層序，其亞層序界面為T51和T52(圖2、圖3)。

SU1位于T0和T1之間。T0連續(xù)性好、振幅強(qiáng)，T0以上是海水空白反射；T0反射界面之下出現(xiàn)明顯的強(qiáng)地震反射。T1在整個(gè)研究區(qū)測線上(基巖除外)都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅強(qiáng)，界面以下古河道下切反射結(jié)構(gòu)發(fā)育。T1為區(qū)域性濱岸海蝕面，冰間期初始海泛面。SU1在研究區(qū)內(nèi)(除了基巖出露)都有覆蓋，其外部形態(tài)近席狀，內(nèi)部呈平行、亞平行強(qiáng)振幅反射結(jié)構(gòu)，在海底相對(duì)較深的地區(qū)呈上超發(fā)散反射結(jié)構(gòu)，無明顯的“V”型或“U”型強(qiáng)反射結(jié)構(gòu)。SU1厚度變化平緩，最大約10.3 m，平均約3.8 m。該單元底部在深水區(qū)比較厚。該單元鉆孔樣巖性為灰黃色礫砂或砂礫，QZ3-2樣品AMS14C測年年齡為7 695 cal.aBP ～7 595 cal.aBP，表明SU1為MIS1沉積，根據(jù)巖性特征及地震相判斷SU1為濱岸淺海沉積，沉積水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)。

SU2位于T1之下、T2之上。T2主要位于合口港、鐵爐港及龍江港附近，T2呈“U”型或“V”型，最寬處2.2 km，其連續(xù)性好、振幅強(qiáng)。T2為古河道河床，屬于穿時(shí)界面。SU2外部形態(tài)呈“U”型、“V”型或兩者組合，內(nèi)部呈上超、前積型、雜亂等反射結(jié)構(gòu)，其中雜亂充填反射結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)最少。SU2最大厚度為13.3 m，平均厚度為4.0 m。鉆孔QZ3在該單元內(nèi)巖性上部呈灰黑-灰黃色粉砂質(zhì)砂；底部為淺黃色砂礫或含礫質(zhì)砂，分選差。上部沉積為弱水動(dòng)力、還原環(huán)境下的陸相湖泊沉積，底部為氧化環(huán)境下的陸相沖積扇沉積。鉆孔樣品QZ3-3 AMS14C測年年齡為28 660 cal.aBP ～28 080 cal.aBP，QZ3-8 OSL測年年齡為64 400 cal.aBP±4 200 cal.aBP，兩個(gè)樣品均表現(xiàn)出較為明顯的陸相沖積扇相或坡積相，測年樣品可能由外部搬運(yùn)而來，不能代表最后沉積的時(shí)間，鉆孔樣QZ3-5～QZ3-12測年年齡在10 000 cal.aBP ～14 000 cal.aBP之間，時(shí)序整體上較好，表明SU2為MIS2沉積。根據(jù)巖性特征及地震相判斷SU2為陸相湖泊沉積或河流沉積，局部為沖積扇相沉積。較大規(guī)模的古河道發(fā)育表明合口港、鐵爐港及龍江港附近在MIS2水系發(fā)育。

SU3位于T3之上。T3連續(xù)性好、振幅強(qiáng)。為區(qū)域性濱岸海蝕面，始海泛面。SU3僅在相對(duì)較深區(qū)域出現(xiàn)(現(xiàn)今水深約42 m以下)，與上覆SU1呈明顯角度不整合接觸，在垂直岸線向海方向厚度逐漸變大，層厚最大約10.6 m，平均約4.6 m。其外部形態(tài)呈楔形，內(nèi)部呈上超、發(fā)散、弱振幅反射結(jié)構(gòu)，內(nèi)部振幅強(qiáng)度弱于SU1，反映了SU3相對(duì)SU1處于一個(gè)更弱的水動(dòng)力沉積環(huán)境。鉆孔QZ3沒有鉆到該地層單元， SU3 上覆地層單元為SU1，推測SU3為MIS3時(shí)期沉積。根據(jù)地震相判斷SU3為濱岸淺海沉積。本文認(rèn)為研究區(qū)淺部SU3的缺失主要原因是MIS3全球海平面普遍相對(duì)較低(約-120 m～ -50 m)[16]，淺部處于海平面以上，該區(qū)域構(gòu)造抬升幅度不足以將深部沉積大規(guī)模帶到淺部所致。

SU4位于T3之下、T4之上。T4在本工作區(qū)僅識(shí)別出一處，位于水深約58 m的位置、Z71測線南部(圖4)，呈“V”型，其連續(xù)性好、振幅強(qiáng)。T4為MIS4古河道河床，穿時(shí)界面。SU4內(nèi)部呈前積型充填、強(qiáng)振幅反射結(jié)構(gòu)，為明顯的陸相河流沉積。SU4厚約6 m，寬364 m。鉆孔QZ3沒有鉆到SU4。SU4位于SU3和SU5之間，推測SU4為MIS4沉積。

圖4 層序地層單元?jiǎng)澐?測線Z71)Fig.4 Sequence stratigraphic units (survey-line Z71)

SU5位于T5之上。T5在研究區(qū)大部分測線上都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅較強(qiáng)，T5為冰間期海侵形成的區(qū)域性濱岸海蝕面，初始海泛面。除了基巖出露，SU5在研究區(qū)內(nèi)均有覆蓋，其外部形態(tài)整體上近席狀，最大厚度約65.2 m，平均厚度約28.9 m。SU5沉積保留了至少兩次較大規(guī)模的海退、海進(jìn)的痕跡，該單元被T51、T52分割成SU51、SU52和SU53三個(gè)亞層序，T51、T52下方的“V”型或“U”型下切反射結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的是海退期間形成的埋藏古河道河床。

1)SU51位于T51之上。T51在研究區(qū)大部分測線上都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅較強(qiáng)，為區(qū)域性濱岸海蝕面， MIS5a初始海泛面。SU51外部形態(tài)整體上呈楔狀，內(nèi)部總體上呈上超平行、亞平行弱振幅反射結(jié)構(gòu)， 鉆孔QZ3沒有鉆到該地層，但是 U51下伏地層為MIS5b- 5c沉積，推測SU51為MIS5a沉積。根據(jù)地震相判斷其主要為濱岸淺海沉積。

2)SU52位于T52之上。T52在研究區(qū)大部分測線上都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅較強(qiáng)，為區(qū)域性濱岸海蝕面， MIS5c初始海泛面。SU52外部呈席狀，內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)變化較大，有平行強(qiáng)振幅反射，充填反射，雜亂反射等，表明其沉積類型多樣、沉積環(huán)境復(fù)雜。SU52鉆孔樣巖性為灰黃-黃色砂質(zhì)粉砂和砂質(zhì)泥，QZ3-13號(hào)樣品的OLS 測年年齡為96 600 cal.aBP±4 900 cal.aBP表明SU52為MIS5b- 5c沉積。根據(jù)巖性特征及地震相判斷SU52主要為濱岸淺海沉積，局部為陸相沉積。

3)SU53位于T5反射界面之上。T5在研究區(qū)大部分測線上都能對(duì)比追蹤，連續(xù)較好、振幅較強(qiáng)。為區(qū)域性濱岸海蝕面，初始海泛面。SU53外部呈席狀，內(nèi)部呈上超平行、亞平行弱振幅反射結(jié)構(gòu)。該單元內(nèi)鉆孔樣巖性為灰黑-灰色砂質(zhì)粉砂，QZ3-16號(hào)樣品OLS測年年齡為127 000 cal.aBP±6 300 cal.aBP，表明SU53為MIS5d-5e沉積，根據(jù)巖性特征及地震相判斷 SU53主要為濱岸淺海沉積，局部為陸相沉積。

SU6位于T5和T6之間。T6局部連續(xù)性好、振幅強(qiáng)、起伏大，為陸上不整合面，底部為基巖(或硬質(zhì)基底)。SU6在淺水區(qū)域缺失，其外部形態(tài)不規(guī)則，內(nèi)部未見可以大規(guī)模連續(xù)追蹤的反射同相軸，內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)有平行強(qiáng)振幅反射，充填反射，雜亂反射等。SU6上覆地層單元為SU5，可判定其沉積時(shí)期為MIS6及更早，沉積類型復(fù)雜。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)可劃分為SU1、SU2、SU3、SU4、SU5和SU6層序，分別對(duì)應(yīng)MIS1、MIS2、MIS3、MIS4、MIS5和MIS6及更早沉積。其中SU5可以劃分為SU51、SU52和SU53三個(gè)亞單元，對(duì)應(yīng)了MIS5a、MIS5b-5c和MIS5d-5e沉積。

2)研究區(qū)MIS1時(shí)期沉積層薄，處于水動(dòng)力較強(qiáng)的沉積環(huán)境，以濱岸淺海沉積為主；MIS2時(shí)期沉積以陸相古河道下切充填為主，分布在合口港、鐵爐港及龍江港附近，在MIS2該區(qū)域水系發(fā)育；MIS3時(shí)期淺部海相沉積缺失，但是在深水區(qū)域(現(xiàn)今水深約42 m以下)海相沉積普遍發(fā)育，濱岸淺海沉積為主；MIS4時(shí)期沉積規(guī)模小，以陸相沉積為主；MIS5時(shí)期沉積保留了至少兩次較大規(guī)模的海退痕跡，該階段沉積在本研究區(qū)第四系中所占比例最高，規(guī)模大、范圍廣，其沉積環(huán)境復(fù)雜多樣，以濱岸淺海沉積為主。